CN113328855A - 一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法及系统,通过利用后匹配方法实现时间‑相位编码的双光子贝尔态测量来突破密钥限制,与现有的测量设备无关的量子密钥分发相比,本发明可以提供更高的安全码率,拥有更远的传输距离;同时,在传输距离不大于490km的情况下,本发明可以选择较短时间间隔随机匹配,使信道传输造成的相位漂移无需校准;在传输距离不大于370 km的情况下,本发明无需激光器快速主动锁相锁频,降低了实验要求,很大地提高了安全性和实用性,节约了实验成本。
Description
技术领域
本发明涉及量子密钥分发技术领域,具体涉及一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法及系统。
背景技术
量子密钥分发是量子信息领域中目前最接近实用化的研究方向。由于计算机性能的不断发展,传统密码依赖于计算复杂度的编码方式正受到安全性方面的挑战,近年来RSA算法的不断被破解正说明了这一点。相对的,具有无条件安全性的量子密钥分发技术则具有广泛的应用前景。
2012 年多伦多大学的 Lo 等人提出的测量设备无关的量子密钥分发协议(MDI-QKD),利用双光子干涉规避了探测端的所有安全漏洞,具有更高的安全性和实用性。MDI-QKD通过引入一个不可信的中间节点使密钥传输距离加倍,但是,其成码率受到线性成码率界限的严格限制,现有实验中传输距离最远为404公里,在404公里时码率下降为bps,难以用于城际通信。另一方面,测量设备无关的量子密钥分发系统分为偏振编码和相位编码两大类。偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统受到光纤双折射和时间抖动的影响,导致脉冲偏振态发生变化,造成系统误码率高、成码率低。之后出现的相位编码测量设备无关量子密钥分发系统由于两个独立激光器的初始相位以及光经过光纤产生的相位飘移、时间抖动不同,同样会有系统误码率高、稳定性差的问题。
当前已有专利“一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统”(CN104579643A)。该专利将两个独立激光器和测量装置都放置在同一个节点上,形成两节点双向传输的量子密钥分发系统;并利用法拉第共轭旋转效应和设计相同的传输路径,解决了目前三节点测量设备无关量子密钥分发系统因偏振变化、相位漂移、相位参考系不统一、时间抖动等因素造成稳定性差的问题,实现了偏振自补偿、相位漂移自补偿、相位参考系无需校准、同步易于实现的目的。但是,该发明具有以下缺陷:1.由于系统是双向传输的,考虑光纤损耗,其成码率低于传统MDI-QKD,不能够打破线性成码率界限。2.使用法拉第旋转镜对光脉冲实现偏振自补偿,增加了系统的复杂度和实验难度。3.要求节点可信,严重影响其实用性。
发明内容
发明目的:本发明目的是提供一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法及系统,解决了目前的测量设备无关量子密钥分发系统不能打破线性成码率界限,导致其成码率低,系统误码率高,而且传输距离短的问题。本发明在使用激光器主动锁相锁频和信道相位漂移测量技术时,传输距离最远可以达到650km,远远超过现有的测量设备无关量子密钥分发系统;在传输距离为中距离490km内,本发明无需相位漂移测量;在传输距离为中短距离370km内,本发明无需激光器主动快速锁相锁频。
技术方案:本发明一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法,包括以下步骤:
(1)制备:第一发送端和第二发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端;
(2)测量:测量端对来自第一发送端和第二发送端的光脉冲进行干涉测量,当有且仅有第一探测器和第二探测器中的一个探测器响应时,记为一个成功事件;
(3)后匹配:对于每一个成功事件,当第一发送端和第二发送端中任意一方选择诱骗态量子信号光脉冲时,则两个发送端均公布各自的相位信息以及经典比特值;并且定义两个发送端都选择诱骗态量子信号光脉冲的时间窗口为诱骗窗口,两个发送端随机挑选出两个诱骗窗口,在满足要求的情况下,匹配两个诱骗窗口的脉冲为脉冲对,根据测量端公布的测量结果得到X基矢的比特值;
定义第一发送端选择信号态量子信号光脉冲的时间窗口为信号态时间窗口,选择公布真空态或保留真空态的时间窗口为真空态时间窗口,第一发送端随机匹配一个信号态时间窗口和一个真空态时间窗口得到脉冲对,第二发送端匹配相应时刻下的两个时间窗口得到脉冲对,经过比对分析,得到Z基矢的比特值串;
(4)参数估计:公布所有X基矢的比特值,得到X基矢的比特错误总数,并且利用诱骗态方法进行参数估计;
(5)后处理:根据参数估计的结果用来对Z基矢的比特值串进行经典纠错,错误验证和隐私放大,得到最终密钥。
进一步的,所述步骤(1)的制备具体为:在每个时间窗口,第一发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端,该量子信号光脉冲光强在中选择,其全局相位表示为,其中,编码相位表示为,对应的经典比特值为,制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为,为其光强;第二发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端,该量子信号光脉冲光强在中选择,其全局相位表示为,其中,编码相位表示为,对应的经典比特为, 制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为,为其光强;其中,第一发送端和第二发送端将0光强的脉冲作为公布真空态或保留真空态量子信号光脉冲,将和光强的脉冲作为信号态量子信号光脉冲,将和光强的脉冲作为诱骗态量子信号光脉冲;
匹配两个诱骗窗口的脉冲为脉冲对,得到X基矢的比特值以及,其中,其中N为脉冲总数,所有X基矢的比特值的集合记为;当的时间窗口和的时间窗口是同一探测器响应,则对应探测到贝尔态;当的时间窗口和的时间窗口是不同探测器响应,则对应探测到贝尔态,测得贝尔态,第二发送端反转其比特值;
Z基矢的比特值串计算具体为:第一发送端随机匹配一个信号态时间窗口和一个公布真空态时间窗口得到一个脉冲对,在上述两个时间窗口下,第一发送端的两个脉冲光强如果为,则记为比特值1,如果为,则记为比特值0;然后,第二发送端匹配该两个时间窗口下自己的两个脉冲光强,如果为,则记为比特值0,如果为,则记为比特值1,如果为或,第二发送端公布丢弃该事件;最终得到Z基矢的比特值串,表示为。
其中,*表示期望值,上下横线分别表示上下限,和分别表示Z基矢下正确和错误的有效事件数量期望值,表示第一发送端发送光强量子信号光脉冲,,第二发送端发送光强量子信号光脉冲,时,探测器响应事件数量期望值,和分别表示第一发送端发送光强量子信号光脉冲而塌缩到真空态,第二发送端发送真空态和第一发送端发送光强量子信号光脉冲而塌缩到真空态,第二发送端发送光强量子信号光脉冲的探测器响应事件数量期望值下限;
为X基矢错误总数,表示当任意一方发送端发出真空态并且另一方选择强度或时的错误计数总和,表示两发送端都发送真空态的错误事件,表示两发送端分别发出和光强量子信号光脉冲中的双光子响应个数,为随机不放回取样带来的统计涨落项,失败概率系数;上述期望值和观测值之间的转换可以由切尔诺夫限制和逆切尔诺夫限制给出上下限。
本发明还包括一种如上述任一异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法的系统,包括第一发送端、第二发送端和测量端,其特征在于:所述第一发送端和第二发送端均包括脉冲激光制备模块、光强调制模块和相位调制模块;其中脉冲激光制备模块用于制备前后光强、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光,光强调制模块用于实现对脉冲激光光强大小的调制,相位调制模块用于将光脉冲调制为随机处于任意相位的状态以及进行相位编码;
所述第一发送端的脉冲激光制备模块与第二发送端的脉冲激光制备模块之间安装有激光器锁相锁频模块,激光器锁相锁频模块用于将两发送端制备的激光进行频率和相位的锁定;
所述测量端包括测量模块,所述测量模块用于实现量子信号光脉冲的干涉测量和强参考光的信道相位漂移测量,信道相位漂移测量是通过强参考光干涉,测量强参考光在量子信道中传输产生的相位漂移;
所述第一发送端、第二发送端和测量端还均包括后处理模块,所述后处理模块用于实现对本端各模块的控制以及用于进行后续的筛选原始密钥串、经典纠错,错误验证和隐私放大,得到最终密钥。
进一步的,所述测量模块用于实现量子信号光脉冲的干涉测量,具体为:第一发送端和第二发送端将调制好的量子信号光脉冲进入分束器进行干涉,之后由第一探测器和第二探测器进行测量,两个探测器中有且仅有探测器响应时,记为一个成功事件。
进一步的,所述第一发送端和第二发送端均包括依次连接的第一从激光器、第一强度调制器、第一相位调制器和第一衰减器;所述激光器锁相锁频模块包括光学锁相环、第一主激光器和第二主激光器,光学锁相环分别与第一主激光器和第二主激光器连接;激光器锁相锁频模块用于将两发送端制备的脉冲激光进行频率和相位的锁定;
其中,光学锁相环用于锁定第一主激光器和第二主激光器发射的连续激光,第一主激光器和第二主激光器发射的连续激光分别通过光环行器到达第一发送端的第一从激光器和第二发送端的第一从激光器,使得第一发送端的第一从激光器和第二发送端的第一从激光器以注入锁定的方式生成脉冲激光;脉冲激光被制备为量子信号光脉冲和强参考光,对于量子信号光脉冲,第一强度调制器进行量子信号光脉冲的强度调制;第一相位调制器接收量子信号光脉冲并且对量子信号光脉冲加一个随机任意选择的相位,制备相位随机的量子信号光脉冲,同时对量子信号光脉冲加0或π相位进行相位编码;第一衰减器使量子信号光脉冲变为平均光子数小于1的弱相干态量子信号光脉冲;对于强参考光,不进行强度调制、衰减和相位编码;第一发送端和第二发送端将调制好的量子信号光脉冲和强参考光通过信道传输至测量端;
所述测量端包括分束器、第一探测器和第二探测器;对于量子信号光脉冲,分束器用两量子信号光脉冲的干涉来进行量子信号光脉冲的干涉测量,两个探测器分别用于探测对应两端口的光子探测响应;对于强参考光,分束器用两强参考光的干涉来进行强参考光的干涉测量,通过干涉测量得到两个探测器的光强分布,使用相位测量算法,计算信道相位漂移;
最后,第一发送端、第二发送端和测量端公布所需的数据,以进行纠错以及隐私放大,并获得最终的安全密钥。
进一步的,所述第一发送端和第二发送端将调制好的弱相干态量子信号光脉冲通过信道传输至测量端的距离之和即为第一发送端和第二发送端的传输距离;当所述传输距离不大于490 km,脉冲激光只被制备为量子信号光脉冲,信道相位漂移不测量;当所述传输距离不大于370 km,激光器锁相锁频模块不工作。
本发明的有益效果:本发明打破码率限制,可以给出更高的安全码率和更远的传输距离,传输距离最远可以达到650km;在传输距离不大于490 km的情况下,无需相位漂移测量,实现信道相位飘移无需校准;在传输距离不大于370 km下,无需激光器快速主动锁相锁频,降低了实验要求,很大地提高了安全性和实用性,节约了实验成本,并且具有了更高的效率。
附图说明
图1为本发明量子密钥分发系统示意图;
图2为实施例1的结构示意图;
图3为实施例1采用光学锁相环实现锁相锁频的结构示意图;
图4为实施例1采用注入锁定技术实现锁相锁频的结构示意图;
图5为实施例2的结构示意图;
图6为实施例3的结构示意图;
图7为本发明的模拟结果效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述:
如图1所示,本发明一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发系统,包括第一发送端、第二发送端和测量端,各端协同工作以完成密钥分配任务,第一发送端和第二发送端均包括脉冲激光制备模块、光强调制模块和相位调制模块;其中脉冲激光制备模块用于制备前后光强、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光;光强调制模块用于实现对脉冲激光光强大小的调制;相位调制模块用于将光脉冲调制为随机处于任意相位的状态以及进行相位编码;
第一发送端的脉冲激光制备模块与第二发送端的脉冲激光制备模块之间安装有激光器锁相锁频模块,激光器锁相锁频模块用于将两发送端制备的激光进行频率和相位的锁定;
测量端包括测量模块,测量模块用于实现量子信号光脉冲的干涉测量和强参考光的信道相位漂移测量,信道相位漂移测量是通过强参考光干涉,测量强参考光在量子信道中传输产生的相位漂移。通过量子信号光脉冲的干涉测量,解码获取发送端的编码信息,具体为:第一发送端和第二发送端将调制好的量子信号光脉冲进入分束器进行干涉,之后由第一探测器和第二探测器进行测量,两个探测器中有且仅有探测器响应时,记为一个成功事件。对于强参考光,通过强参考光干涉,获取两探测器探测到的光强比例,使用现有的相位漂移测量算法计算出强参考光在量子信道中传输产生的相位漂移;由于量子信号光脉冲和强参考光都是通过信道传输至测量端,所以强参考光在量子信道中传输产生的相位漂移与量子信号光脉冲在量子信道中传输产生的相位漂移相同,只需测量强参考光在量子信道中传输产生的相位漂移即可。
第一发送端、第二发送端和测量端还均包括后处理模块,后处理模块用于实现对本端各模块的控制以及用于进行后续的基矢公布、光强公布、相位公布、相位后选择等过程筛选出原始密钥串,之后再经过经典纠错,错误验证和隐私放大过程来提取最终密钥。为简化附图,后处理模块未在图例中体现。
实施例1
如图2所示,本实施例示例性地给出了实现上述本发明所描述的异步匹配的测量设备无关量子密钥分发系统的一种实现方式。
本发明系统包括第一发送端、第二发送端和测量端,第一发送端和第二发送端均包括依次连接的第一从激光器、第一强度调制器、第一相位调制器和第一衰减器,用于实现脉冲激光制备模块、光强调制模块和相位调制模块的功能。激光器锁相锁频模块包括光学锁相环、第一主激光器和第二主激光器,光学锁相环分别与第一主激光器和第二主激光器连接;激光器锁相锁频模块用于将两发送端制备的脉冲激光进行频率和相位的锁定;本实施例是注入锁定和光学锁相环结合实现锁相锁频的结构;激光器锁相锁频模块还可以有多种实现方式,还包括注入锁定、时频传输技术等,都是现有的技术方式;图3给出了一种光学锁相环实现激光器锁相锁频的系统,其中激光器锁相锁频模块包括主激光器、第一光学锁相环和第二光学锁相环,主激光器通过分束器分别与第一光学锁相环和第二光学锁相环连接,第一光学锁相环和第二光学锁相环分别与第一发送端和第二发送端的第一从激光器连接;主激光器发射连续激光,第一光学锁相环和第二光学锁相环用于锁定第一发送端和第二发送端的第一从激光器,主激光器通过光学锁相环锁定第一从激光器的相位和频率,让两个第一从激光器产生强度、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光;图4给出了一种通过注入锁定实现激光器锁相锁频的系统。
本实施例中,光学锁相环用于锁定第一主激光器和第二主激光器发射的连续激光,第一主激光器和第二主激光器发射的连续激光分别通过光环行器到达第一发送端的第一从激光器和第二发送端的第一从激光器,使得第一发送端的第一从激光器和第二发送端的第一从激光器以注入锁定的方式生成脉冲激光;脉冲激光将被以时分复用的方式(也可采用现有的其它复用方式,如波分复用、偏振复用等)制备为量子信号光脉冲和强参考光,对于量子信号光脉冲,第一强度调制器进行量子信号光脉冲的强度调制;第一相位调制器接收量子信号光脉冲并且对量子信号光脉冲加一个随机任意选择的相位,制备相位随机的量子信号光脉冲,同时对量子信号光脉冲加0或π相位进行相位编码;第一衰减器使量子信号光脉冲变为平均光子数小于1的弱相干态量子信号光脉冲;对于强参考光,不进行强度调制、衰减和相位编码;第一发送端和第二发送端将调制好的量子信号光脉冲和强参考光通过信道传输至测量端;
测量端包括分束器、第一探测器和第二探测器;对于量子信号光脉冲,分束器用两量子信号光脉冲的干涉来进行量子信号光脉冲的干涉测量,两个探测器分别用于探测对应两端口的光子探测响应;对于强参考光,分束器用两强参考光的干涉来进行强参考光的干涉测量,通过干涉测量得到两个探测器的光强分布,使用当前已经成熟的相位测量算法,计算信道相位漂移。通过时分复用方式,既测量量子信号光的干涉结果,也测量强参考光得到信道相位漂移。
最后,第一发送端、第二发送端和测量端公布所需的数据,以进行纠错以及隐私放大,并获得最终的安全密钥。
本发明量子密钥分发方法,包括以下步骤:
(1)制备:第一发送端和第二发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端;
制备具体为:在每个时间窗口,第一发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端,该量子信号光脉冲光强在中选择,其全局相位表示为,其中,编码相位表示为,对应的经典比特值为,制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为,为其光强;第二发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端,该量子信号光脉冲光强在中选择,其全局相位表示为,其中,编码相位表示为,对应的经典比特为, 制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为,为其光强;其中,第一发送端和第二发送端将0光强的脉冲作为公布真空态或保留真空态量子信号光脉冲,将和光强的脉冲作为信号态量子信号光脉冲,将和光强的脉冲作为诱骗态量子信号光脉冲;
(2)测量:测量端对来自第一发送端和第二发送端的脉冲进行干涉测量,当有且仅有第一探测器和第二探测器中的一个探测器响应时,记为一个成功事件;测量端还测量出第一发送端和第二发送端在每个时间窗口内的由激光器频率差和信道长度漂移引起的相位噪声差,记为。
(3)后匹配:对于每一个成功事件,当第一发送端和第二发送端中任意一方选择诱骗态量子信号光脉冲时,则两个发送端均公布各自的相位信息以及经典比特值;并且定义两个发送端都选择诱骗态量子信号光脉冲的时间窗口为诱骗窗口,两个发送端随机挑选出两个诱骗窗口,在满足要求的情况下,匹配两个诱骗窗口的脉冲为脉冲对,根据测量端公布的测量结果得到X基矢的比特值;
匹配两个诱骗窗口的脉冲为脉冲对,得到X基矢的比特值以及,其中,其中N为脉冲总数,所有X基矢的比特值的集合记为;当的时间窗口和的时间窗口是同一探测器响应,则对应探测到贝尔态;当的时间窗口和的时间窗口是不同探测器响应,则对应探测到贝尔态,测得贝尔态,第二发送端反转其比特值;
定义第一发送端选择信号态量子信号光脉冲的时间窗口为信号态时间窗口,选择公布真空态或保留真空态的时间窗口为真空态时间窗口,第一发送端随机匹配一个信号态时间窗口和一个真空态时间窗口得到脉冲对,第二发送端匹配相应时刻下的两个时间窗口得到脉冲对,经过比对分析,得到Z基矢的比特值串;
Z基矢的比特值串计算具体为:第一发送端随机匹配一个信号态时间窗口和一个公布真空态时间窗口得到一个脉冲对,在上述两个时间窗口下,第一发送端的两个脉冲光强如果为,则记为比特值1,如果为,则记为比特值0;然后,第二发送端匹配该两个时间窗口下自己的两个脉冲光强,如果为,则记为比特值0,如果为,则记为比特值1,如果为或,第二发送端公布丢弃该事件;最终得到Z基矢的比特值串,表示为。
注意,它们不公布脉冲对中特定脉冲的强度信息。
(4)参数估计:公布所有X基矢的比特值,得到X基矢的比特错误总数,并且利用诱骗态方法进行参数估计;
其中,*表示期望值,上下横线分别表示上下限,和分别表示Z基矢下正确和错误的有效事件数量期望值,表示第一发送端发送光强量子信号光脉冲,,第二发送端发送光强量子信号光脉冲, 时,探测器响应事件数量期望值,和分别表示第一发送端发送强量子信号光脉冲而塌缩到真空态,第二发送端发送真空态和第一发送端发送光强量子信号光脉冲而塌缩到真空态,第二发送端发送光强量子信号光脉冲的探测器响应事件数量期望值下限;
为X基矢错误总数,表示当任意一方发送端发出真空态并且另一方选择强度或时的错误计数总和,表示两发送端都发送真空态的错误事件,表示两发送端分别发出和光强量子信号光脉冲中的双光子响应个数,为随机不放回取样带来的统计涨落项,为失败概率系数;上述期望值和观测值之间的转换可以由切尔诺夫限制和逆切尔诺夫限制给出上下限。
(5)后处理:根据参数估计的结果用来对Z基矢的比特值串进行经典纠错,错误验证和隐私放大,得到最终密钥。
如图7所示,本实施例的模拟结果显示,能够打破线性成码率界限,其密钥传输距离可以达到650公里,超越了之前技术所能达到的最远距离。
实施例2
如图5所示,本实施例与实施例1的不同之处在于,该量子密钥分发系统中脉冲激光只被制备为量子信号光脉冲,不需要通过强参考光测量信道相位漂移。
本实施例的传输距离不大于490 km,在传输距离不是很远时,较短时间间隔内响应率很大,量子信号光响应事件很多。同时,较短时间间隔内两时刻的信道相位漂移较小,的理论值接近0,因此不需要强参考光测量信道相位漂移。在这种情况下,参考实施例一中的量子密钥分发方法,本实施例中在后匹配阶段可以改为选择在前后较短的时间间隔内(例如 50 μs)随机选择成功响应的结果进行匹配。
需要注意的是,发射强参考光测量信道相位漂移,会不可避免的因为时分复用占用量子信号的有效发送频率,同时强参考光在信道中会因为散射增加错误率和暗计数率。因此,移除强参考光测量信道相位漂移是一个很有意义的系统简化。
如图7所示,本实施例能够打破线性成码率界限,其成码率明显高于目前的测量设备无关量子密钥分发系统的成码率。
实施例3
如图6所示,本实施例与实施例2的不同之处在于,该量子密钥分发系统中不需要激光器锁相锁频模块。
在传输距离不大于370 km,在更短的时间间隔(例如0.5μs)内响应率很大,量子信号光响应事件很多。参考实施例一中的量子密钥分发方法,本实施例中,后匹配阶段可以改为选择在前后更短的时间间隔内(例如 0.5 μs)随机选择成功响应的结果进行匹配。
需要注意的是,在0.5 μs内,不仅信道相位漂移是个可忽略的量,激光器频率差引起的全局相位差也是个可忽略的小量。此时只需要对波长大约每数十分钟进行一次校准,无需实施例一中光学锁相环或注入锁定技术,大大简化了系统,降低成本,提高了实用性,同时提高的安全性。
如图7所示,本实施例能够打破线性成码率界限,其成码率明显高于目前的测量设备无关量子密钥分发系统的成码率。
Claims (10)
1.一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)制备:第一发送端和第二发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端;
(2)测量:测量端对来自第一发送端和第二发送端的光脉冲进行干涉测量,当有且仅有第一探测器和第二探测器中的一个探测器响应时,记为一个成功事件;
(3)后匹配:对于每一个成功事件,当第一发送端和第二发送端中任意一方选择诱骗态量子信号光脉冲时,则两个发送端均公布各自的相位信息以及经典比特值;并且定义两个发送端都选择诱骗态量子信号光脉冲的时间窗口为诱骗窗口,两个发送端随机挑选出两个诱骗窗口,在满足要求的情况下,匹配两个诱骗窗口的脉冲为脉冲对,根据测量端公布的测量结果得到X基矢的比特值;
定义第一发送端选择信号态量子信号光脉冲的时间窗口为信号态时间窗口,选择公布真空态或保留真空态的时间窗口为真空态时间窗口,第一发送端随机匹配一个信号态时间窗口和一个真空态时间窗口得到脉冲对,第二发送端匹配相应时刻下的两个时间窗口得到脉冲对,经过比对分析,得到Z基矢的比特值串;
(4)参数估计:公布所有X基矢的比特值,得到X基矢的比特错误总数,并且利用诱骗态方法进行参数估计;
(5)后处理:根据参数估计的结果用来对Z基矢的比特值串进行经典纠错,错误验证和隐私放大,得到最终密钥。
2.根据权利要求1所述的一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法,其特征在于:所述步骤(1)的制备具体为:在每个时间窗口,第一发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端,该量子信号光脉冲光强在中选择,其全局相位表示为,其中,编码相位表示为,对应的经典比特值为,制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为,为其光强;第二发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端,该量子信号光脉冲光强在中选择,其全局相位表示为,其中,编码相位表示为,对应的经典比特为,制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为,为其光强;其中,第一发送端和第二发送端将0光强的脉冲作为公布真空态或保留真空态量子信号光脉冲,将和光强的脉冲作为信号态量子信号光脉冲,将和光强的脉冲作为诱骗态量子信号光脉冲;
4.根据权利要求3所述的一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法,其特征在于:所述步骤(3)中X基矢的比特值计算具体为:定义两个发送端都选择诱骗态量子信号光脉冲的时间窗口为诱骗窗口,然后两个发送端随机挑选出两个诱骗窗口,要求满足:
匹配两个诱骗窗口的脉冲为脉冲对,得到X基矢的比特值以及,其中,其中N为脉冲总数,所有X基矢的比特值的集合记为;当的时间窗口和的时间窗口是同一探测器响应,则对应探测到贝尔态;当的时间窗口和的时间窗口是不同探测器响应,则对应探测到贝尔态,测得贝尔态,第二发送端反转其比特值;
其中,*表示期望值,上下横线分别表示上下限,和分别表示Z基矢下正确和错误的有效事件数量期望值,表示第一发送端发送光强量子信号光脉冲,,第二发送端发送光强量子信号光脉冲,时,探测器响应事件数量期望值,和分别表示第一发送端发送光强量子信号光脉冲而塌缩到真空态,第二发送端发送真空态和第一发送端发送光强量子信号光脉冲而塌缩到真空态,第二发送端发送光强量子信号光脉冲的探测器响应事件数量期望值下限;
7.一种如权利要求1至6中任一项异步匹配的测量设备无关量子密钥分发方法的系统,包括第一发送端、第二发送端和测量端,其特征在于:所述第一发送端和第二发送端均包括脉冲激光制备模块、光强调制模块和相位调制模块;其中脉冲激光制备模块用于制备前后光强、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光,光强调制模块用于实现对脉冲激光光强大小的调制,相位调制模块用于将光脉冲调制为随机处于任意相位的状态以及进行相位编码;
所述第一发送端的脉冲激光制备模块与第二发送端的脉冲激光制备模块之间安装有激光器锁相锁频模块,激光器锁相锁频模块用于将两发送端制备的激光进行频率和相位的锁定;
所述测量端包括测量模块,所述测量模块用于实现量子信号光脉冲的干涉测量和强参考光的信道相位漂移测量,信道相位漂移测量是通过强参考光干涉,测量强参考光在量子信道中传输产生的相位漂移;
所述第一发送端、第二发送端和测量端还均包括后处理模块,所述后处理模块用于实现对本端各模块的控制以及用于进行后续的筛选原始密钥串、经典纠错,错误验证和隐私放大,得到最终密钥。
8.根据权利要求7所述的一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发系统,其特征在于:所述测量模块用于实现量子信号光脉冲的干涉测量,具体为:第一发送端和第二发送端将调制好的量子信号光脉冲进入分束器进行干涉,之后由第一探测器和第二探测器进行测量,两个探测器中有且仅有探测器响应时,记为一个成功事件。
9.根据权利要求7所述的一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发系统,其特征在于:所述第一发送端和第二发送端均包括依次连接的第一从激光器、第一强度调制器、第一相位调制器和第一衰减器;所述激光器锁相锁频模块包括光学锁相环、第一主激光器和第二主激光器,光学锁相环分别与第一主激光器和第二主激光器连接;激光器锁相锁频模块用于将两发送端制备的脉冲激光进行频率和相位的锁定;
其中,光学锁相环用于锁定第一主激光器和第二主激光器发射的连续激光,第一主激光器和第二主激光器发射的连续激光分别通过光环行器到达第一发送端的第一从激光器和第二发送端的第一从激光器,使得第一发送端的第一从激光器和第二发送端的第一从激光器以注入锁定的方式生成脉冲激光;脉冲激光被制备为量子信号光脉冲和强参考光,对于量子信号光脉冲,第一强度调制器进行量子信号光脉冲的强度调制;第一相位调制器接收量子信号光脉冲并且对量子信号光脉冲加一个随机任意选择的相位,制备相位随机的量子信号光脉冲,同时对量子信号光脉冲加0或π相位进行相位编码;第一衰减器使量子信号光脉冲变为平均光子数小于1的弱相干态量子信号光脉冲;对于强参考光,不进行强度调制、衰减和相位编码;第一发送端和第二发送端将调制好的量子信号光脉冲和强参考光通过信道传输至测量端;
所述测量端包括分束器、第一探测器和第二探测器;对于量子信号光脉冲,分束器用两量子信号光脉冲的干涉来进行量子信号光脉冲的干涉测量,两个探测器分别用于探测对应两端口的光子探测响应;对于强参考光,分束器用两强参考光的干涉来进行强参考光的干涉测量,通过干涉测量得到两个探测器的光强分布,使用相位测量算法,计算信道相位漂移;
最后,第一发送端、第二发送端和测量端公布所需的数据,以进行纠错以及隐私放大,并获得最终的安全密钥。
10.根据权利要求9所述的一种异步匹配的测量设备无关量子密钥分发系统,其特征在于:所述第一发送端和第二发送端将调制好的弱相干态量子信号光脉冲通过信道传输至测量端的距离之和即为第一发送端和第二发送端的传输距离;当所述传输距离不大于490km,脉冲激光只被制备为量子信号光脉冲,信道相位漂移不测量;当所述传输距离不大于370 km,激光器锁相锁频模块不工作。
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